虾青素的来源主要分为化学合成和天然提取。

1.1化学合成法

虾青素是类胡萝卜素合成的终产物,人工化学合成比较困难,且多为顺式结构。美国FDA仅批准反式结构虾青素用于工业生产。目前为止,用化学合成法来合成虾青素的公司仅瑞士的罗氏公司,其产品中虾青素含量为5%～10%。

1.2天然提取法

1.2.1从水产品加工废物中提取通常方法是将虾蟹壳粉碎,然后酸解,最后用有机溶剂如丙酮、石油醚等提取。国外采用聚合剂系统从螯虾的废弃物中提取虾青素、虾青素酯和虾红素。其产率高达153μg/g。据分析,虾青素占提取的类胡萝卜素的90%以上。但废弃物中的石灰质成分不利于虾青素的提取,提取前应尽量除去。近来,挪威采用青贮法处理废弃物,即加入有机或无机酸破坏虾青素与蛋白质或骨骼部分的结,而使其从结合状态游离出来。经青贮法处理后,虾青素的回收率提高了10%,纯度也大为提高。

1.2.2从培养藻类提取虾青素

有不少藻类能产生虾青素,雨生红球藻[2]就是很重要的虾青素产生藻。该藻在培养过程中若氮源缺乏,则在藻体内积累虾青素。若在培养基中添加Fe2+,虾青素的合成能力将显著增加,并在细胞形态上由营养细胞变成细胞囊。光照密度、时间及光的性质会影响虾青素的积累。雨生红球藻虾青素含量高达0.2%～2.0%,但培养周期长,需要光照和破壁,不利于大规模生产。

1.2.3从酵母菌中提取虾青素

目前,国外主要利用红发尖酵母为菌种发酵生产虾青素。红发尖酵母具有作为虾青素生物来源的一些必要特征：作为合成虾青素一种主要的类胡萝卜素,不需要光照,能利用多种糖作为碳源进行快速异氧代谢,培养时间短,能够在发酵罐中高密度培养,色素提取后的菌体单细胞可作为饵料、饲料添加剂等。这些优点使红发尖酵母成为研究的重点。研究表明,向培养基中添加西红柿汁时,虾青素的合成能力大大提高。但野生型的红发尖酵母虾青素含量不够高,仅200～300mg/kg；故而目前的研究主要集中在虾青素高产菌株的选育、廉价培养基的开发、培养工艺的优化上。

虾青素(Astaxanthin,3,3’-二羟基-β,β’-胡萝卜-4,4’-二酮)[3],属于酮式类胡萝卜素,分子式C40H52O4,相对分子量为596.86。纯虾青素是紫色针状结晶体,具有光泽,熔点216℃,不溶于水,可溶于氯仿、吡啶中,微溶于石油醚、乙醇等大多数有机溶剂。

虾青素的化学结构是由四个异戊二烯单位以共轭双键形式联结,两端又有二个异戊二烯单位组成六节环结构(如下图所示)虾青素的重要性质在于它的抗氧化性[4]。生物氧化是糖、脂类和蛋白质等有机物在体内经过一系列的氧化分解,最终生成二氧化碳和水并释放出能量的过程。生物氧化是生命活动所必需的。

正常情况下氧化反应受机体的调节和控制,但当有自由基产生时,就会发生过氧化反应。自由基是具有未配对电子的原子或原子团,有超氧化物阴离子自由基(O2·)、羟自由基(OH·)、氢自由基(H·)和甲基自由基(CH3·)等。自由基非常活泼,反应性极强,能触发链式反应而致生物膜上的脂质过氧化,从而破坏膜的结构与功能。它能引起蛋白质变性和交联,使酶及激素失活,机体的免疫能力降低,破坏核酸的结构并导致代谢异常等等[5]。

在虾青素分子中,有很长的共轭双键,有羟基和在共轭双键链末端的不饱和酮,其中羟基和酮基又构成α-羟基酮。这些结构都具有比较活泼的电子效应,能向自由基提供电子或吸引自由基的未配对电子。可见虾青素的结构特点使其极易与自由基反应而清除自由基,起到抗氧化作用。研究表明虾青素具有的抗氧化性比β-胡萝卜素高了10倍以上。同时,它还比维生素E的抑制脂质过氧化反应特性高1000倍以上。

众所周知,β-胡萝卜素经加水分解反应可得到两个维生素A,虽然虾青素分解产物不是维生素A,但其仍具有与维生素A近似的特性。因此,以其强劲的抗氧化性为特征,虾青素应当兼具很强的β-胡萝卜素、维生素E和维生素A的某些生物学功能。综上所述,虾青素具有极强维生素类性质。

一些研究者的研究证明了虾青素所具有的优异的生物学功能,诸如抑制多元不饱和脂肪酸的氧化、抵御紫外线的作用、代维生素A活性、改善视力、免疫力、色素形成和神经连通以及改善生育等等。

3.1虾青素应用于饲料工业

虾青素可用作鲍鱼、鲟鱼、鲑鱼、虹鳟鱼、真鲷、甲壳类动物及观赏鱼类和各种禽类、生猪的饲料添加剂,其主要作用有：

(1)作为天然色素增加营养及商品价值。

添加到饲料中的虾青素积累在鱼类及甲壳类体内,使成体呈红色、色泽鲜艳、富含营养,其价格比普通成体高出许多倍。肉禽饲喂添加了虾青素的饲料后,蛋黄量增加,皮肤、脚、喙呈现出金黄色,这些都大大提高了禽蛋、肉的营养及商品价值,食用这些产品对人体的健康有利。

(2)作为天然激素提高繁殖能力[7]。

虾青素可作为天然激素促进鱼卵受精,减少胚胎的死亡率,促进个体生长,增加成熟速度和生殖力。

(3)作为免疫增强剂改善健康状态。

虾青素在抗氧化、消除自由基方面的能力均强于β类胡萝卜素,可以促进抗体的产生、增强动物的免疫功能。

(4)改善皮肤和肌肉的颜色。

在红剑尾鱼、珍珠玛丽鱼及花玛丽鱼等观赏鱼饲料中添加50mg/kg的虾青素能有效地改善鱼的体色,提高其观赏价值。

3.2虾青素在化妆品中的应用

天然海藻提取物---虾青素作为自然界中最强的抗氧化维生素,具有“超级维生素E”的美誉,其抗氧化活性是维生素E的550倍,能够有效的保护皮肤免受紫外线(UVA,UVB)的损害,在皮肤受到光照时消耗腐胺[6],作为潜在的光保护剂,用于阻止皮肤光老化防止诱发皮肤癌。其超强的消灭自由基的能力,可以防止皮肤细胞受到自由基的损伤,减少皱纹及雀斑的产生。虾青素除了具有许多药用和添加剂用途外,现阶段作为新型化妆品原料以其优良的特性广泛应用于膏霜、乳剂、唇用香脂、护肤品等各类化妆品中。

3.2.1用于面部护肤霜

虾青素的结构特点使其极易与自由基反应而清除自由基[8],起到抗氧化作用。用于护肤品,具有防止和延缓皮肤衰老作用和减少皱纹及雀斑的产生。应用于美白、抗衰老的护肤霜中的配方示例(w/%)：粉末天然虾青素0.2,可溶性蛋壳膜0.5,十六烷基磷酸甜菜碱0.5,角鲨烷10.0,白蜡5.0,十六醇4.0,司盘602.0,吐温602.0,甘油5.0,香精0.1,对羟基苯甲酸甲酯0.1,去离子水加至100。此配方使肌肤润泽、柔嫩、富有弹性,长期使用,能减少皱纹、祛色斑和增白,并延缓皮肤衰老等。

3.2.2用于防晒化妆品

紫外辐射是导致表皮光老化和皮肤癌的重要原因。虾青素能有效清除体内由紫外线照射产生的自由基,调节降低这些由于光化学引起的伤害。而且虾青素对转谷胺酰胺酶具有特殊作用,能够在皮肤受光时消耗腐胺,说明虾青素的强抗氧化活性可作为潜在的光保护剂,用于阻止皮肤的光老化防止诱发皮肤癌。应用于防紫外线的防晒乳液中的配方示例(w/%)：粉末天然虾青素0.5,十六/十八醇8,白油4.5,棕榈酸异丙酯4.5,二甲基硅油1.5,SPP-2002.5,单甘酯2.5,羊毛脂1.5,聚乙二醇-60000.5,椰子油4,SPP-2002.5,香精、防腐剂0.1,去离子水加至100。能持久抵御紫外线照射、抗氧化,消除自由基,对晒黑、晒伤及衰老等有出色的防御效果,长时间抑制及淡化黑色素,给肌肤提供长效美白效果。

3.2.3用于化妆品的着色剂

虾青素可作为脂溶性的色素。具有艳丽的红色和强的抗氧化性能。在化妆品中,不仅能有效地起到保色、保味、保质等作用,而且还可作为长时间保持的着色剂,如唇膏、口红等。

3.2.4用于某些特殊用途的化妆品

虾青素应用于化妆品中,除作为优良的抗氧化剂和着色剂外,还是一种具有突出治疗功效的助剂[9],有着许多独特的用处：

(1)作为普通的抗生物过氧化剂,具有延缓衰老的作用。

虾青素能够淬灭由强光和过度氧化产生的多种活性氧,防止活性氧对细胞的伤害,且其抗氧化能力显著高于其他类胡萝卜素。

(2)抗癌活性。

虾青素可抑制生物体内生物的过氧化作用,从而使癌细胞的诱变过程受到抑制,起到抗癌作用。

(3)预防动脉硬化和相关疾病。

由于虾青素的抗氧化性,血液中的不饱和脂肪酸的氧化被抑制,血管壁上的沉积物减少,抑制动脉硬化的形成。

(4)维护眼睛和中枢神经系统的健康。

视网膜中有高浓度的多不饱和脂肪酸和高浓度氧,中枢神经系统富含不饱和脂肪酸和铁,都极易受氧化损伤,而虾青素能够透过血-脑脊液屏障,淬灭损伤性的活性氧。

(5)提高免疫力。

虾青素具有最佳诱导细胞分裂的活性和重要的免疫调节作用,可以作为免疫增强剂使用。

虾青素作为一种功能独特、应用广泛的化妆品原料,已引起国内外化妆品界的普遍关注,以虾青素为功能性成分的新型特殊用途化妆品已成为目前国际日化界所要研究的课题,其应用发展前景非常广阔。国内新型化妆品的研究开发也是日新月异,市场竞争非常激烈,天然环保型化妆品添加剂已成为当今主要研究方向。因此,随着科学技术的飞速发展,在人们崇尚天然的潮流中,充分利用国内虾青素资源,研究开发新型、高档次虾青素系列功能性化妆品,满足广大消费者日益增长的需求,提高国民的健康水平,是大有必要的,其潜在的经济效益和社会效应也是显而易见的。